Beim Guillain-Barre-Syndrom ist die Suppressor-T-Zell-Antwort reduziert, was auf eine zellvermittelte immunologische Reaktion hinweist, die sich gegen die peripheren Nerven richtet. Gelegentlich werden im Serum Antikörper gegen Myelinbestandteile nachgewiesen.
Die Nervenschädigung erfolgt segmental. Lymphozyten infiltrieren die Nervenwurzeln und setzen zytotoxische Substanzen frei, die die Schwann-Zellen und das Myelin schädigen. Das Myelin wird von Makrophagen entfernt. Wenn das Axon geschädigt ist, stirbt die Nervenzelle ab, und eine Regeneration ist nicht mehr möglich.
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